电位型传感器 海洋防污损聚合物膜电位型传感器研究取得进展
海洋防污损聚合物膜电位型传感器研究取得进展
开展海洋环境要素及环境污染物长期原位监测，对于海洋生态环境评价与可持续发展具有重要意义。聚合物敏感膜电位型传感器具有体积小、操作简单、不受样品颜色及浊度影响等优点，在海洋环境长期原位监测中展现出应用前景。然而，聚合物敏感膜的表面疏水性强，在海洋环境中易吸附蛋白质、油类、微生物等物质，从而在电极膜表面引发污损，导致检测信号失真、使用寿命缩短等问题。中国科学院烟台海岸带研究所研究员秦伟课题组对防污损传感器开展研究，并取得系列进展。为了减少亲脂性有机物质（如蛋白质、油等）在传感器表面的附着，科研团队开发了基于亲水性涂层的防污损策略。科研人员采用贻贝仿生多巴胺表面修饰方法，将亲水性的聚多巴胺修饰于聚合物敏感膜表面，改善聚合物敏感膜的表面亲水性，降低蛋白质在传感器表面的附着，提高了传感器的防污损性能（Anal.Chem., 2019,91(10),6424-6429）。此外，科研团队进一步采用多巴胺辅助共沉积表面修饰方法，将两性离子聚合物-聚甲基丙烯酸二甲基丙基磺酸胺乙酯（PSBMA）修饰到聚合物敏感膜表面（图1），借助PSBMA结合水分子的能力，提高聚合物敏感膜的水下疏油角（达到141.5o），所构筑的传感器对油类污染物展现出自清洁能力（Anal.Chem., 021, 93(18), 6932-6937）。微生物污染物具有生长和繁殖能力。即使有少量的微生物附着在传感器表面，它们也能够通过不断地生长和繁殖，形成遍布整个传感器表面的生物膜，造成严重的传感器污损。为解决这一问题，科研人员研发了具释放杀菌功能的聚合物敏感膜电位型传感器。研究以环境友好且有杀菌性能的有机小分子6-氯吲哚作为防污活性材料，采用掺杂法将防污材料引入聚合物敏感膜中，构建了具有自灭菌功能的传感器（图2A）。研究显示，6-氯吲哚能够有效杀灭附着于传感器表面的微生物，达到缓解微生物污损的效果；聚合物敏感膜中的6-氯吲哚释放缓慢，传感器对微生物的灭杀性能可保持45天（图2B）。该防污损方法在传感器原位、长期监测中具有应用前景（Anal.Chem., 2020,92(18),12132-12136）。为提高传感器的防污损能力，研究发展了防附着与杀菌相结合的防污损策略。该策略通过将具有亲水性和抗菌性的纳米材料同时引入传感器表面，构建了既防止污染物附着又抑制生物膜形成的双重功能聚合物敏感膜电位型传感器。科研人员采用层层自组装法将氧化石墨烯（GO）修饰于聚合物敏感膜表面（图3），利用GO的亲水性提高聚合物敏感膜的表面亲水性，从而降低海洋微生物在传感器表面的附着量。此外，GO还具有接触杀菌性，突破了防附着屏障的少量微生物能够被GO灭杀，抗菌率达到53.1%（Anal.Chem., 2019, 91(20), 13268-13274）。为提高传感器表面抑制生物膜形成的能力，科学家利用亲水性的聚多巴胺将具有更强杀菌能力的银纳米颗粒修饰于传感器表面。研究发现，修饰的电极表面细菌粘附数量降低了31.5%，抗菌率达到93.3%（Sens.Actuators,B, 2021,328,129014）。考虑到传感器表面防污活性材料流失以及生物膜逐渐堆积对传感器的防污损能力带来的不利影响，科研人员研制了可更新式防污损聚合物敏感膜电位型传感器，合成了具亲水性和抗菌性的磁性纳米颗粒作为防污活性材料，利用磁控自组装技术将防污活性材料修饰于聚合物敏感膜表面（图4），通过调控外加磁场实现防污活性材料的快速更新（Anal.Chem., 2022,94,34,11916–11924）。近期，基于在防污损聚合物膜电位型传感器领域的研究积累，研究团队在《分析化学趋势》（Trends in Analytical Chemistry）上，发表了题为Anti-fouling polymeric membrane ion-selective electrodes的综述论文。该论文介绍了聚合物膜离子选择性电极在复杂环境中的污损机理，讨论了电极的防污损策略，归纳总结了防污损电极的制备方法，并对展望了未来防污损电极的发展。该综述对于防污聚合物膜离子选择性电极的研制及促进电极在复杂环境样品中的应用具有一定的指导意义。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委-山东省联合基金、中科院海洋大科学中心重点部署项目等的支持。科普：再读电化学传感器
一、电化学传感器的简要介绍及历史追溯
电化学传感器是一种基于电化学原理工作的传感器，它通过测量被检测物质在电化学反应中产生的电流或电位变化来确定物质的浓度或存在性。这种传感器在环境监测、生物医学、食品安全等领域有着广泛的应用。
追溯电化学传感器的历史，我们可以发现其发展源于19世纪末对电化学现象的研究。随着科技的进步，特别是微纳加工技术和材料科学的快速发展，电化学传感器的性能得到了显著提升，应用领域也不断扩大。
二、电化学传感器工作原理
电化学传感器的工作原理基于物质在电极表面发生的氧化还原反应。当被检测物质与电极接触时，如果其能发生氧化还原反应，就会产生电流或电位的变化。通过测量这些变化，就可以得知被检测物质的浓度或存在性。
三、电化学传感器的结构
电化学传感器包含以下4种主要元件：
1、 透气膜（也称为疏水膜） ：透气膜用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该防止液态电解质泄漏或迅速燥结。
2、电极 ：选择电极材料很重要。电极材料应该是一种催化材料，能够执行在长时间内执行半电解反应。通常，电极采用贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子发生有效反应。视传感器的设计而定，为完成电解反应，三种电极可以采用不同材料来制作。
3、电解质 ：电解质必须能够进行电解反应，并有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料兼容。如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。
4、过滤器 ：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器均有不同的效率度数，多数常用的滤材是活性炭。活性炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有更高的选择性。
四、电化学传感器的分类
电化学传感器的分类方法很多，按照其输出信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器。
按照电化学传感器所检测的物质不同，电化学传感器主要可以分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。
五、电化学传感器主要性能与影响因素
电化学传感器的主要性能包括灵敏度、选择性、稳定性、响应时间等。这些性能受到多种因素的影响，如电极材料、电解质溶液的性质、温度、湿度等环境因素，以及被检测物质的性质等。
六、电化学传感器的主要应用领域
电化学传感器因其高灵敏度、快速响应和实时在线监测等特点，在多个领域得到广泛应用。
环境监测：电化学传感器可用于检测大气中的有害气体、水质中的污染物等，为环境保护提供重要数据支持。
生物医学：在生物医学领域，电化学传感器可用于检测生物体内的葡萄糖、乳酸、尿酸等生物分子，为疾病的诊断和治疗提供帮助。
食品安全：电化学传感器可用于食品中添加剂、有害物质等的检测，确保食品安全。
总结来说，电化学传感器作为一种重要的检测工具，在环境监测、生物医学、食品安全等领域发挥着不可替代的作用。随着科技的进步和应用领域的拓宽，电化学传感器的性能和应用将不断提升和完善，为人类的生活和发展做出更大的贡献。
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